CN115301466B - 一种模块化质谱基质喷涂装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种模块化质谱基质喷涂装置，属于质谱领域，喷涂模块包括进样器、雾化器、沉降室以及喷嘴，进样器、雾化器、沉降室以及喷嘴依次连通，进样器实现基质溶液的进样，雾化器对基质溶液进行雾化，沉降室将雾化的基质溶液中体积较大的液滴沉降，喷嘴将小体积液滴喷涂至运动模块上的样品，运动模块能够带动样品移动，升温干燥模块对样品进行干燥使样品表面基质结晶，通过上述设计，沉降室将体积较大的液滴沉降，使样品表面结晶更加均匀细致，进而提高结晶质量；运动模块使喷涂过程更加自动化；并且质谱基质喷涂装置整体模块化、便于生产以及维修。本申请还涉及一种通过模块化质谱基质喷涂装置实施的模块化质谱基质喷涂方法。

Description

一种模块化质谱基质喷涂装置及方法

技术领域

本发明涉及质谱技术领域，尤其是涉及一种模块化质谱基质喷涂装置及方法。

背景技术

在用于质谱成像的生物样本的制备过程中，需要通过合理方式将基质溶液施加在样本表面，为保证样本-基质共结晶效果，提高质谱成像的空间分辨率和重现性，基质施加效果应均匀细致且足够稳定。

目前常用喷涂方法进行质谱成像生物样本的基质施加，可分为手动喷涂和自动喷涂两类。手动喷涂过程中操作者手持喷枪，人为控制喷涂位置和喷涂量，这种基质喷涂方法实现简单成本很低，但其最终效果依赖于操作者的经验和水平，重现性往往较差，且基质结晶晶粒通常比自动喷涂方式的晶粒尺寸更大，可达50-200μm。

自动喷涂装置目前主要通过电喷雾雾化、超声雾化和气动雾化等手段产生气溶胶，其中电喷雾喷涂装置使基质溶液液滴带有同种电荷，利用同种电荷相斥的原理使液滴碎裂，形成微米级小液滴，雾化效率较高，但这种雾化方式需要使用上千伏高压，实现更为复杂且有一定危险性，且基质溶液所携带的电荷可能在一定程度上影响结晶效果；超声喷涂装置通过超声振动将溶液雾化为气溶胶，通常超声频率越高，液滴的体积越小，超声雾化方式产生的液滴不含电荷，但超声振动过程中可能将溶液加热，可能会对质谱成像分析带来不利影响；气动雾化装置通过在溶液毛细管外通入辅助气以实现溶液的液化，实现原理较为简单，通过合理设计的喷嘴结构和优化的喷涂参数可得到10μm量级的结晶效果，但通过气动方法形成的气溶胶雾粒直径分布范围较广，最大可达100μm级，将此种液滴直接喷涂在样本切片上可能会造成较大范围的横向移位，影响质谱成像分析的准确性。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明的目的之一在于提供一种自动化并且功能模块化的模块化质谱基质喷涂装置，使喷涂表面的液滴更加均匀细致，进而提高结晶质量。

为了克服现有技术的不足，本发明的目的之二在于提供一种自动化并且功能模块化的模块化质谱基质喷涂方法，使喷涂表面的液滴更加均匀细致，进而提高结晶质量。

本发明的目的之一采用如下技术方案实现：

一种模块化质谱基质喷涂装置，包括喷涂模块、运动模块以及升温干燥模块，所述喷涂模块包括进样器、雾化器、沉降室以及喷嘴，所述进样器、所述雾化器、所述沉降室以及所述喷嘴依次连通，所述进样器实现基质溶液的进样，所述雾化器对基质溶液进行雾化，所述沉降室将雾化的基质溶液中体积较大的液滴沉降，所述喷嘴将小体积液滴喷涂至所述运动模块上的样品，所述运动模块能够带动样品移动，所述升温干燥模块对样品进行干燥使样品表面基质结晶。

进一步地，所述沉降室包括沉降主体，所述沉降主体为中空结构形成沉降区，所述沉降主体两端分别设有沉降入口以及气溶胶出口，所述沉降主体还设有废液口，所述废液口与所述沉降区连通。

进一步地，所述沉降主体呈纺锤形。

进一步地，所述气溶胶出口呈管状，所述气溶胶出口的直径小于所述沉降入口的直径。

进一步地，所述沉降入口以及所述气溶胶出口位于一直线上，所述废液口的延伸方向与所述直线垂直。

进一步地，所述喷涂模块还包括废液收集结构，所述废液收集结构与所述废液口连接。

进一步地，所述雾化器包括壳体以及毛细管，所述壳体为中空结构，所述毛细管安装于所述壳体并为中空结构，所述毛细管与所述壳体同轴设置，所述喷涂模块还包括气源，所述气源与所述壳体内部连通，所述气源向所述壳体内供气使所述毛细管内的基质溶液雾化。

进一步地，所述运动模块包括升降结构、第一水平运动结构、第二水平运动结构以及板托卡槽，所述第一水平运动结构安装于所述升降结构，所述第二水平运动结构安装于所述第一水平运动结构，所述板托卡槽安装于所述第二水平运动结构，所述升降结构带动所述第一水平运动结构、所述第二水平运动结构以及所述板托卡槽在竖直方向移动，所述第一水平运动结构带动所述第二水平运动结构以及所述板托卡槽在第一水平方向移动，所述第二水平运动结构带动所述板托卡槽在垂直于所述第一水平方向的第二方向移动，所述板托卡槽承载样品。

进一步地，所述升温干燥模块包括升温主体、加热装置、干燥托以及温度传感器，所述加热装置以及所述干燥托安装于所述升温主体，所述加热装置位于所述干燥托以及所述升温主体之间。

本发明的目的之二采用如下技术方案实现：

一种通过上述任意一种模块化质谱基质喷涂装置实施的模块化质谱基质喷涂方法，包括以下步骤：

安装设备：将喷涂模块、运动模块以及升温干燥模块安装于固定板，将所述运动模块以及所述升温干燥模块与电源以及上位机连接；

固定样品：将待测生物样本切片放置在样品板卡槽上，并将所述样品板卡槽固定于喷涂模块的板托卡槽上；

喷涂样品：通过上位机控制喷涂模块和运动模块，对待测生物样本进行基质喷涂；

干燥结晶：将喷涂完成的样品板从运动模块中取出，并将样品板转移至升温干燥模块干燥处理，直至基质结晶完成。

相比现有技术，本发明模块化质谱基质喷涂装置包括喷涂模块、运动模块以及升温干燥模块，喷涂模块包括进样器、雾化器、沉降室以及喷嘴，进样器、雾化器、沉降室以及喷嘴依次连通，进样器实现基质溶液的进样，雾化器对基质溶液进行雾化，沉降室将雾化的基质溶液中体积较大的液滴沉降，喷嘴将小体积液滴喷涂至运动模块上的样品，运动模块能够带动样品移动，升温干燥模块对样品进行干燥使样品表面基质结晶，通过上述设计，沉降室将体积较大的液滴沉降，使样品表面结晶更加均匀细致，进而提高结晶质量；运动模块使喷涂过程更加自动化；并且质谱基质喷涂装置整体模块化、便于生产以及维修。

附图说明

图1为本发明模块化质谱基质喷涂装置的一立体图；

图2为图1的模块化质谱基质喷涂装置的另一立体图；

图3为图1的模块化质谱基质喷涂装置的喷涂模块的一立体图；

图4为图3的喷涂模块的另一立体图；

图5为图4的喷涂模块的雾化器的剖视图；

图6为图4的喷涂模块的沉降室的剖视图；

图7为图1的模块化质谱基质喷涂装置的运动模块的立体图；

图8为图7的运动模块的一局部结构立体图；

图9为图7的运动模块的另一局部结构立体图；

图10为图1的模块化质谱基质喷涂装置的升温干燥模块的分解图。

图中：10、固定板；20、喷涂模块；21、气源；22、安装板；23、进样器；24、雾化器；240、壳体；2401、柱端；2402、锥端；241、空腔；242、喷雾出口；243、入气口；244、毛细管；25、沉降室；250、沉降主体；2501、沉降入口；2502、沉降区；251、气溶胶出口；252、废液口；26、喷嘴；27、废液收集结构；28、喷涂控制器；29、流量控制器；30、运动模块；31、升降结构；310、立板；311、升降驱动件；312、连接板；32、第一水平运动结构；320、第一板体；321、第一水平驱动件；33、第二水平运动结构；330、第二板体；331、第二水平驱动件；34、板托卡槽；35、样品板卡槽；36、运动控制器；40、升温干燥模块；41、升温主体；42、加热装置；43、干燥托；430、样品卡槽；44、温度传感器；45、干燥控制器。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，当组件被称为“固定于”另一个组件，它可以直接在另一个组件上或者也可以存在另一中间组件，通过中间组件固定。当一个组件被认为是“连接”另一个组件，它可以是直接连接到另一个组件或者可能同时存在另一中间组件。当一个组件被认为是“设置于”另一个组件，它可以是直接设置在另一个组件上或者可能同时存在另一中间组件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

图1至图10为本发明模块化质谱基质喷涂装置的示意图，模块化质谱基质喷涂装置包括固定板10、喷涂模块20、运动模块30以及升温干燥模块40。

固定板10用于安装喷涂模块20、运动模块30以及升温干燥模块40。

喷涂模块20包括气源21、安装板22、进样器23、雾化器24、沉降室25、喷嘴26、废液收集结构27、喷涂控制器28以及流量控制器29。

气源21用于向雾化器24中输入辅助气及向喷嘴26中输入吹送气，气源21为空气压缩机或气瓶等形式。优选的，本发明中的气源21可为一带有压力阀的氮气瓶，通过软管与流量控制器29相连。

安装板22固定于固定板10，安装板22用于安装进样器23、雾化器24、沉降室25、喷嘴26以及废液收集结构27。

进样器23安装于安装板22，进样器23实现溶液的存储和稳定进样。优选的，进样器23为一数控注射泵，通过软管与雾化器24进行连接，可将指定流量的基质溶液稳定输送至雾化器24中。

雾化器24包括壳体240以及毛细管244。壳体240为中空结构，内部形成空腔241。壳体240包括柱端2401以及锥端2402，锥端2402从柱端2401末端延伸而出。柱端2401呈圆柱形，锥端2402远离柱端2401的一端设有喷雾出口242。毛细管244安装于壳体240并从壳体240的柱端2401延伸而出。毛细管244与壳体240同轴设置。毛细管244的直径小于壳体240的直径，毛细管244末端靠近喷雾出口242。壳体240上设有入气口243，入气口243与气源21连通，气源21通过入气口243向空腔241内充气。

雾化器24由玻璃或PET等材料制成，基质溶液由进样器23经软管输送至毛细管244中，气源21的气体经流量控制器29后，由设置在壳体240的入气口243进入空腔241，毛细管244延伸至雾化器24的喷雾出口242，空腔241在雾化器24出口前逐渐收窄，高速辅助气产生文丘里效应将毛细管244中的基质溶液提取并雾化为气溶胶，气溶胶从喷雾出口242中呈锥状喷出。

沉降室25包括沉降主体250、气溶胶出口251以及废液口252。沉降主体250呈纺锤形。沉降主体250两端分别设置沉降入口2501以及气溶胶出口251，沉降主体250内部形成沉降区2502。沉降主体250设有废液口252，废液口252与沉降区2502连通，沉降区2502体积较大的液滴因重力沉降并通过废液口252排出至废液收集结构27。废液口252的延伸方向与沉降主体250的主轴垂直。沉降室25由玻璃或PET等材料制成。

喷嘴26包括喷嘴主体、气溶胶入口、吹送气入口和喷口，喷嘴主体为一空心管，可由玻璃、PET或金属等材料制成，气溶胶入口与沉降室25的气溶胶出口251相连，优选的，气溶胶入口开设在喷嘴主体的侧面，沉降室25的气溶胶出口251可插入喷嘴的气溶胶入口中，喷嘴26的轴线与沉降室25的轴线相互正交，优选的，沉降室25和喷嘴26可加工为一体；吹送气入口开设在喷嘴26的一端，吹送气经气源21和流量控制器29后进入吹送气入口中，喷口位于喷嘴26的另一端，吹送气用于将进入喷嘴26的气溶胶吹送至喷口处并喷出，实现对目标的喷涂。

废液收集结构27收集沉降室25沉降产生的废液。

喷涂控制器28集成喷涂模块20所需的供电、驱动和控制功能。

流量控制器29用于控制从气源21通向雾化器24和喷嘴26的气体流量，可为质量流量控制器或浮子流量计等形式，优选的，本发明中的气体流量控制器29可为两个独立的质量流量控制器，分别为控制雾化器24进气量的雾化器流量控制器和控制喷嘴26流量的喷嘴流量控制器，通过软管与雾化器24和喷嘴26连接。

喷涂模块20的气源21固定于固定板10，气源21经过软管分别向喷嘴26以及雾化器24供气。气源21通向喷嘴26的气流经过流量控制器29控制流量，气源21通向雾化器24的气流经过流量控制器29控制流量。进样器23、沉降室25以及废液收集结构27安装于安装板22，雾化器24以及喷嘴26分别安装于沉降室25两端。进样器23通过软管与雾化器24的毛细管244连接，雾化器24的喷雾出口242与沉降室25的沉降入口2501连接，气溶胶出口251与喷嘴26的气溶胶入口连通。

运动模块30包括升降结构31、第一水平运动结构32、第二水平运动结构33、板托卡槽34、样品板卡槽35以及运动控制器36。

升降结构31包括立板310、升降驱动件311以及连接板312。立板310固定于固定板10。升降驱动件311固定于立板310。升降驱动件311可通过电机驱动Z向布置的滚珠丝杆或同步带实现，也可通过电机驱动X或Y向布置的楔形块或偏心轮等方式实现，考虑到本发明的应用场景中运动模块30的负载较小，在本实施例中，升降驱动件311由Z向布置的步进电机、滚珠丝杆、导轨直线模组组成。连接板312用于支撑和连接第一水平运动结构32。连接板312与升降驱动件311的输出端固定连接。升降结构31结构设计和运动控制更为简洁。

第一水平运动结构32包括第一板体320以及第一水平驱动件321。第一板体320固定于连接板312。第一水平驱动件321安装于第一板体320。第一水平驱动件321包括X向布置的步进电机以及滚珠丝杆。

第二水平运动结构33包括第二板体330以及第二水平驱动件331，第二板体330固定于第一水平驱动件321的输出端，第二水平驱动件331安装于第二板体330，第二水平驱动件331包括Y向布置的步进电机以及滚珠丝杆。

板托卡槽34安装于第二水平驱动件331的输出端，板托卡槽34用于安装定位样品板喷涂托。样品板喷涂托上设有多个样品板卡槽35，以支持多块样品板的同时喷涂。

运动控制器36用于实现对运动模块30中的电机等部件进行供电和控制，且应设有电源连接和与上位机通信的接口，优选的，运动控制器36通过螺纹紧固和焊接等方式固定在立板310上，使运动模块30整体结构稳固且紧凑，使用更为方便。

升温干燥模块40包括升温主体41、加热装置42、干燥托43、温度传感器44以及干燥控制器45。升温主体41用于安装和固定加热装置42。干燥托43设有样品卡槽430，干燥托43用于定位和装卡样品板。样品卡槽430的数量为多个，多个样品卡槽430同时干燥多块样品板。优选的，干燥托43与板托卡槽34可以为同一部件。在完成样品板喷涂后可将该部件从运动模块30中取出并迁移至升温干燥模块40中进行加速干燥。加热装置42为电热板，电热板用于将电能转化为热能，实现对样品板的均匀升温干燥，优选的，电热板外层为由保温有机材料制成的电热板外壳，内层设有呈U型环绕的电阻丝，通电后电阻丝发热，热量通过电热板外壳和干燥托43，最终传递给样品板；温度传感器44用于测量所在位置的温度，其测量信号被反馈至干燥控制器45，用于对电热板的闭环控制。温度传感器44可置于干燥托43附近、电热板附近或集成在电热板中，优选的，温度传感器44可为一热电偶元件，埋设在电热板下方。优选的，升温干燥模块40中可同时设置多个电热板，以分别控制不同区域的升温干燥状态，也可同时设置多个温度传感器44，以获取不同区域的准确温度信号，提高加热控制的准确性。干燥控制器45实现升温干燥模块40工作所需的供电、控制和电磁屏蔽功能，且留有与上位机通信的各类接口，优选的，干燥控制器45通过螺纹紧固和焊接等方式固定在升温主体41上，使升温干燥模块40结构紧凑。

使用模块化质谱基质喷涂装置时，将待测生物样本切片放置在所需样品板上，并将样品板安放于运动模块30的板托卡槽34中，通过上位机控制喷涂模块20和运动模块30，对样品板指定区域进行基质喷涂，通过控制样品板表面与喷涂模块20的喷嘴26间的垂直距离、第一水平运动结构32以及第二水平运动结构33的速度、基质溶液进样量、辅助气流量、吹送气流量等参数获取所需的喷涂效果。将喷涂完成的样品板从运动模块30中取出，并将其转移至升温干燥模块40中，进行升温干燥处理，通过上位机控制升温干燥模块40的加热温度，直至基质结晶完成。

本发明还涉及一种通过上述任意一种模块化质谱基质喷涂装置实施的模块化质谱基质喷涂方法，包括以下步骤：

安装设备：将喷涂模块20、运动模块30以及升温干燥模块40安装于固定板10，将所述运动模块30以及所述升温干燥模块40与电源以及上位机连接；

固定样品：将待测生物样本切片放置在样品板卡槽35上，并将所述样品板卡槽35固定于喷涂模块20的板托卡槽34上；

喷涂样品：通过上位机控制喷涂模块20和运动模块30，对待测生物样本进行基质喷涂；

干燥结晶：将喷涂完成的样品板从运动模块30中取出，并将样品板转移至升温干燥模块40干燥处理，直至基质结晶完成。

本发明中的模块化质谱基质喷涂装置采用模块化设计，其核心功能模块喷涂模块20、运动模块30和升温干燥模块40相互独立，可单独使用也可配合使用，且能方便地与用户所需的其他功能集成，满足多变的个性化需求，相比高集成度的同类设备，使用更加灵活。模块化质谱基质喷涂装置的沉降室25位于雾化器24后，相比直接喷涂，沉降室25可将基质溶液雾化后产生的大体积液滴过滤，使最终到达喷涂表面的液滴更加均匀细致，进而提高结晶质量。

以上实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进演变，都是依据本发明实质技术对以上实施例做的等同修饰与演变，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种模块化质谱基质喷涂装置，包括喷涂模块、运动模块以及升温干燥模块，其特征在于：所述喷涂模块包括进样器、雾化器、沉降室以及喷嘴，所述进样器、所述雾化器、所述沉降室以及所述喷嘴依次连通，所述进样器实现基质溶液的进样，所述雾化器包括壳体以及毛细管，所述壳体为中空结构，所述毛细管安装于所述壳体并为中空结构，所述毛细管与所述壳体同轴设置，所述喷涂模块还包括气源，所述气源与所述壳体内部连通，所述气源向所述壳体内供气使所述毛细管内的基质溶液雾化，所述沉降室包括沉降主体，所述沉降主体呈纺锤形，所述沉降主体为中空结构形成沉降区，所述沉降主体两端分别设有沉降入口以及气溶胶出口，所述气溶胶出口呈管状，所述气溶胶出口的直径小于所述沉降入口的直径，所述沉降主体还设有废液口，所述废液口与所述沉降区连通，所述沉降室将雾化的基质溶液中体积较大的液滴沉降，所述喷嘴将小体积液滴喷涂至所述运动模块上的样品，所述运动模块能够带动样品移动，所述升温干燥模块对样品进行干燥使样品表面基质结晶。

2.根据权利要求1所述的模块化质谱基质喷涂装置，其特征在于：所述沉降入口以及所述气溶胶出口位于一直线上，所述废液口的延伸方向与所述直线垂直。

3.根据权利要求1所述的模块化质谱基质喷涂装置，其特征在于：所述喷涂模块还包括废液收集结构，所述废液收集结构与所述废液口连接。

4.根据权利要求1所述的模块化质谱基质喷涂装置，其特征在于：所述运动模块包括升降结构、第一水平运动结构、第二水平运动结构以及板托卡槽，所述第一水平运动结构安装于所述升降结构，所述第二水平运动结构安装于所述第一水平运动结构，所述板托卡槽安装于所述第二水平运动结构，所述升降结构带动所述第一水平运动结构、所述第二水平运动结构以及所述板托卡槽在竖直方向移动，所述第一水平运动结构带动所述第二水平运动结构以及所述板托卡槽在第一水平方向移动，所述第二水平运动结构带动所述板托卡槽在垂直于所述第一水平方向的第二方向移动，所述板托卡槽承载样品。

5.根据权利要求1所述的模块化质谱基质喷涂装置，其特征在于：所述升温干燥模块包括升温主体、加热装置、干燥托以及温度传感器，所述加热装置以及所述干燥托安装于所述升温主体，所述加热装置位于所述干燥托以及所述升温主体之间。

6.一种通过如权利要求1-5任意一项所述模块化质谱基质喷涂装置实施的模块化质谱基质喷涂方法，其特征在于，包括以下步骤：

安装设备：将喷涂模块、运动模块以及升温干燥模块安装于固定板，将所述运动模块以及所述升温干燥模块与电源以及上位机连接；

固定样品：将待测生物样本切片放置在样品板卡槽上，并将所述样品板卡槽固定于喷涂模块的板托卡槽上；

喷涂样品：通过上位机控制喷涂模块和运动模块，对待测生物样本进行基质喷涂；

干燥结晶：将喷涂完成的样品板从运动模块中取出，并将样品板转移至升温干燥模块干燥处理，直至基质结晶完成。